James Chadwick ontdekte het neutron in 1932 en ontving in 1935 de Nobelprijs voor de natuurkunde.
Hij werd gedurende de hele Eerste Wereldoorlog in een Duits gevangenkamp gehouden en leidde het Britse team in het Manhattan Project, waarin het VK en Canada de inspanningen van de VS in de Tweede Wereldoorlog steunden om ’s werelds eerste atoombom te bouwen.
James Chadwick’s vroege leven en opleiding
James Chadwick werd geboren in het kleine stadje Bollington, Engeland, VK op 20 oktober 1891 .
Zijn ouders waren Joseph, een spoorwegwinkelier, en Anne, een huishoudster. Toen hij 11 was, won James de toegang tot de prestigieuze Manchester Grammar School. Helaas waren zijn ouders te arm om het bescheiden schoolgeld te betalen. In plaats daarvan volgde James Chadwick zijn opleiding aan de Central Grammar School for Boys in Manchester. Zijn favoriete vakken waren wiskunde en natuurkunde. Op 16-jarige leeftijd won hij een studiebeurs voor de Victoria University of Manchester.
Hij was van plan wiskunde te gaan studeren, maar werd geïnterviewd door een natuurkundige die aannam dat hij natuurkunde wilde studeren. Chadwick was te verlegen om hem tegen te spreken, dus schreef hij zich uiteindelijk in als hoofdvak natuurkunde!
Universiteitsjaren
Chadwick begon in 1908 aan de universiteit, op 17-jarige leeftijd. Tegen de tijd dat hij 19 was, hij zat in het laatste jaar van zijn studie natuurkunde en werkte aan een onderzoeksproject in het laboratorium van Ernest Rutherford. Rutherford had de Nobelprijs voor Scheikunde gewonnen in het jaar dat Chadwick aan de universiteit begon. De prijs werd toegekend voor Rutherfords onderzoek naar het uiteenvallen van de elementen en de chemie van radioactieve stoffen.
Chadwick voerde zijn project met succes uit en studeerde in 1911 cum laude af in natuurkunde. Het waren financiële moeilijke jaren geweest – hij ging altijd zonder lunch, omdat hij zo weinig geld had. Na zijn afstuderen bleef Chadwick in het laboratorium van Rutherford werken totdat hij, op 21-jarige leeftijd, in 1912 een masterdiploma in natuurkunde behaalde.
Een overwinning bracht hem naar Berlijn, Duitsland om in het laboratorium van Hans Geiger te werken. Net als Rutherford was het veld van Geiger radioactiviteit – hij vond de Geigerteller uit om stralingsniveaus te detecteren.
Helaas voor Chadwick begon de Eerste Wereldoorlog in 1914 toen hij nog in Berlijn was. Hij werd geïnterneerd in een kamp in het westen van Berlijn totdat de oorlog eindigde in 1918.
Op 28-jarige leeftijd voegde Chadwick zich in 1919 weer bij Ernest Rutherford om te gaan werken voor zijn Ph.D. Rutherford had nu de leiding over het prestigieuze Cavendish Laboratory van Cambridge University, waarvan de eerste professor James Clerk Maxwell was.
Chadwick ontving zijn Ph.D. in 1921 voor een proefschrift over atoomnummers en nucleaire krachten.
James Chadwick, the Nucleus, and the Neutron
In 1923, 32 jaar oud, werd Chadwick Rutherfords assistent-onderzoeksdirecteur bij de Cavendish Laboratory, waar hij de atoomkern bleef bestuderen.
In die tijd dachten de meeste onderzoekers dat er elektronen zowel binnen als buiten de kern waren. Men dacht bijvoorbeeld dat de kern van een koolstofatoom 12 protonen en 6 elektronen bevatte, waardoor het een elektrische lading van +6 kreeg. In een baan om de kern zouden nog eens 6 elektronen moeten zijn, waardoor de totale elektrische lading van het atoom 0 zou zijn.
Rutherford, Chadwick en enkele anderen geloofden in de mogelijkheid dat deeltjes zonder lading in de kern zouden kunnen zijn. / p>
In zijn vrije tijd, tot in de jaren twintig, deed Chadwick verschillende pogingen in het laboratorium om deze neutrale deeltjes te vinden, maar zonder succes. Hij raakte echter steeds meer overtuigd van het bestaan van een neutraal deeltje – het neutron. Hij kon echter niet het bewijs krijgen dat hij nodig had om het bestaan ervan te bewijzen.
Toen, begin 1932, hoorde Chadwick van het werk dat Frederic en Irene Joliot-Curie zojuist in Parijs hadden gedaan. De Joliot-Curies geloofden dat ze erin waren geslaagd protonen uit een wasmonster te werpen met gammastraling. Dit was niet logisch voor Chadwick, die dacht dat gammastraling niet krachtig genoeg was om dit te doen. Het bewijs dat protonen met voldoende energie waren geraakt om ze uit te werpen, was echter overtuigend.
De bron van gammastraling was het radioactieve element polonium. Chadwick trok de conclusie dat de protonen daadwerkelijk waren geraakt door het deeltje dat hij zocht: het neutron.
Koortsachtig begon hij te werken in het Cavendish-laboratorium. Hij gebruikte polonium als een bron van (wat hij geloofde) neutronen en bombardeerde was. Protonen werden vrijgegeven door de was en Chadwick deed metingen van het gedrag van de protonen.
De protonen gedroegen zich precies zoals ze zouden moeten als ze waren geraakt door elektrisch neutrale deeltjes met een massa vergelijkbaar met het proton. Chadwick had het neutron ontdekt.
Binnen twee weken had hij naar het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature geschreven om het mogelijke bestaan van een neutron aan te kondigen.
Chadwick dacht niet dat hij een nieuw elementair deeltje had ontdekt. Hij geloofde dat het neutron een complex deeltje was dat uit een proton en een elektron bestond. De Duitse natuurkundige Werner Heisenberg toonde aan dat het neutron geen elektron-protonpaar kon zijn, maar eigenlijk een nieuw elementair deeltje.
In 1935 ontving James Chadwick de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn ontdekking van het neutron .
Een afbeelding van een expansiekamer in het laboratorium van Chadwick. Een neutron botst met een stikstofatoom-14. Het stikstofatoom splitst zich in boor-11 en helium-4.
En hoe zit het met de Joliot-Curies? Als ze hun resultaten maar correct hadden geïnterpreteerd, hadden ze de neutron misschien zelf ontdekt. In feite ontvingen Frederic en Irene Joliot-Curie in 1935 ook een Nobelprijs voor scheikunde: zij waren de eerste mensen die nieuwe, synthetische, radioactieve elementen creëerden.
“Ik heb de suggestie van Rutherford al genoemd dat er een neutraal deeltje zou kunnen bestaan gevormd door de nauwe combinatie van een proton en een elektron, en het was in eerste instantie natuurlijk om te veronderstellen dat het neutron zo’n complex deeltje zou kunnen zijn. hand, een dergelijke structuur kan niet worden ingepast in het schema van de kwantummechanica,… de statistieken en spins van de lichtere elementen kunnen alleen een consistente beschrijving krijgen als we aannemen dat het neutron een elementair deeltje is. ”
Nieuwe elementen en nucleaire reacties
De ontdekking van het neutron veranderde de loop van de wetenschap drastisch, omdat neutronen in botsing konden komen met atoomkernen. bed in een kern, waardoor de massa toeneemt. Natuurlijk Beta-verval (de emissie van een elektron uit de atoomkern) zou dan het neutron in een proton veranderen. Omdat een element wordt gedefinieerd door het aantal protonen dat het heeft (waterstof heeft 1, helium 2, lithium 3, beryllium 4, boor 5, koolstof 6, stikstof 7, zuurstof 8, enz.), Stelde dit wetenschappers in staat om nieuwe, zwaardere elementen in het laboratorium.
Het betekende ook dat neutronen konden worden gebruikt om zware atomen te splitsen in een proces dat bekend staat als atoomsplijting, waarbij een grote hoeveelheid energie werd geproduceerd die zou kunnen worden gebruikt in atoombommen of kerncentrales. / p>
Chadwick verlaat Cambridge voor Liverpool
In 1935, voordat zijn Nobelprijs werd toegekend, kreeg Chadwick de Lyon Jones Chair of Physics aan de Universiteit van Liverpool, die hij accepteerde. Hij begon zijn nieuwe baan een maand voordat hij hoorde dat hij de Nobelprijs had gewonnen.
In Liverpool begon hij een kernfysica-groep. De groep had een cyclotron / deeltjesversneller / atoomvernietiger nodig, maar zijn nieuwe universiteit kon er geen betalen. Chadwick financierde het gedeeltelijk met een deel van zijn Nobelprijsgeld.
Wereldoorlog 2 en de atoombom
In 1939, het eerste jaar van de Tweede Wereldoorlog, werd Chadwick gevraagd door de Britse regering over het bouwen van een atoombom. Hij zei dat het mogelijk was, maar niet gemakkelijk zou zijn.
Vooronderzoek begon aan een aantal universiteiten. De werkomstandigheden in het laboratorium van Chadwick waren zwaar. De wijk in Liverpool werd regelmatig aangevallen bij luchtaanvallen door de Duitse luchtmacht. Ondanks het bombardement had de onderzoeksgroep van Chadwick in het voorjaar van 1941 ontdekt dat de kritische massa van uranium-235 voor een nucleaire ontploffing ongeveer 8 kilogram was.
Liverpool in oorlogstijd na een Duitse luchtaanval. Het laboratorium van Chadwick schudde vaak van bomaanslagen in de buurt.
Chadwick schreef in de zomer van 1941 een samenvattend rapport van al het atoombomwerk dat aan Britse universiteiten werd uitgevoerd. In de VS las president Roosevelt het rapport voor in de herfst van 1941, en de VS begon miljoenen dollars te steken in hun eigen atoombomonderzoek. Toen hij hen ontmoette, vertelde Chadwick aan Amerikaanse vertegenwoordigers dat hij voor 90 procent zeker was dat de bom zou werken.
Eind 1943 reisde Chadwick naar de VS om de faciliteiten van het Manhattan Project te bekijken. Hij was een van de slechts drie mannen ter wereld die toegang hadden tot alle Amerikaanse onderzoeks-, gegevens- en productiefabrieken voor de bom: de andere twee waren de Amerikaanse generaal-majoor Leslie Groves, de directeur van het Manhattan Project en de tweede in bevel van Groves, Generaal-majoor Thomas Francis Farrell.
Begin 1944 verhuisden Chadwick, zijn vrouw en kinderen naar Los Alamos, het belangrijkste onderzoekscentrum voor het Manhattan-project.
Chadwick was aanwezig toen de regeringen van de VS en het VK waren het erover eens dat de bom tegen Japan kon worden gebruikt. Hij woonde toen de nucleaire test van de Drie-eenheid bij op 16 juli 1945, toen de eerste atoombom ter wereld tot ontploffing kwam.
In 1945 ridderde de Britse regering hem voor zijn bijdrage in oorlogstijd, en hij werd Sir James Chadwick. De Amerikaanse regering kende hem in 1946 de Medal of Merit toe.
The End
James Chadwick stierf vredig, op 82-jarige leeftijd, op 24 juli 1974.
